雪蓮果超聲波輔助滲透脫水工藝參數的優化

石啟龍，趙 亞，鄭亞琴

(山東理工大學農業工程與食品科學學院，山東 淄博 255049)

雪蓮果超聲波輔助滲透脫水工藝參數的優化

石啟龍，趙 亞，鄭亞琴

(山東理工大學農業工程與食品科學學院，山東 淄博 255049)

以滲透脫水溫度、時間、蔗糖質量分數、超聲波功率和處理時間為因素，以失水率(water loss，WL)和固形物增加率(sugar gain，SG)為指標，通過單因素試驗，研究雪蓮果的滲透脫水工藝參數。以滲透脫水溫度、時間、蔗糖質量分數、超聲波處理時間為因素，以WL、SG和二者比值(WL/SG)為指標，通過二次回歸正交旋轉組合試驗設計建立雪蓮果超聲波輔助滲透脫水過程中各響應值(WL、SG和WL/SG)與各因素之間的回歸方程，并得到超聲波輔助滲透脫水的最優工藝參數。結果表明，超聲波輔助處理可顯著提高雪蓮果滲透脫水效果；影響WL的因素主次順序是溫度＞時間＞蔗糖質量分數＞超聲波處理時間；影響SG的因素主次順序依次是滲透脫水時間＞超聲波處理時間＞溫度＞蔗糖質量分數；影響SG/WL的因素主次順序是滲透脫水時間＞蔗糖質量分數＞超聲波處理時間＞溫度。雪蓮果超聲波輔助滲透脫水的最佳工藝參數為滲透脫水溫度41℃、時間1.7h、蔗糖質量分數60.18%、超聲波處理時間35min。在此組合參數條件下，SG/WL平均值為0.059。

雪蓮果；滲透脫水；超聲波；響應面

雪蓮果(Smallanthus sonchifolius)為菊科向日葵屬雙子葉草本多年生植物，原產于安第斯山脈。自2004年以來先后在云南、海南、山東、河南、新疆等省區引種成功，其種植規模及產量逐年增加。雪蓮果含有20多種人體必需的氨基酸和大量可溶性纖維，屬低熱食品；且富含鉀、鈣、鋅、鐵、鎂等微量元素，具有清肝解毒、降血壓、養顏美容和提高人體免疫力等功效。而且雪蓮果富含果寡糖，是人體內雙歧桿菌繁殖所需要的最佳營養成分[1-2]。但是雪蓮果采收后，果寡糖很快發生部分水解，影響了雪蓮果保健作用的發揮；而且雪蓮果極易出現褐變和腐爛等現象，在一定程度上限制了它的推廣。因此對雪蓮果進行深加工是其保鮮的重要途徑之一。

滲透脫水可以在較短的時間內除去果蔬中的水分而不損壞其組織結構，經過滲透脫水的產品仍具有原果蔬應有的風味、色澤、質構、營養及感官品質。此外滲透脫水也可以作為果蔬加工的一種前處理方式，與干燥、冷凍、殺菌、罐藏等方法組合使用，因此得到了國內外食品界的廣泛關注[3-4]。

由于滲透脫水僅靠細胞膜兩端的滲透壓差來促進傳質，所以靜止的滲透脫水是個比較緩慢的過程，為了加速滲透脫水過程中固-液傳遞，高靜水壓、高壓脈沖、超聲波、真空、離心等高新技術被應用在果蔬滲透脫水中，對提高物質遷移速率取得了顯著進展[5-6]。超聲波作為一種物理能量形式，可使介質粒子振動，這種振動在亞微觀范圍內引起超聲空化現象，從而使固液體系中的液體介質的質點運動增加，固體(生物體)內部結構變化，使微孔擴散得以強化。國內外學者已經將超聲波用于強化蘋果、胡蘿卜、櫻桃番茄、龍眼等果蔬滲透脫水過程[7-11]，而對雪蓮果滲透脫水尤其是超聲波輔助滲透脫水進行研究尚未見報道。本實驗以雪蓮果為原料研究其滲透脫水工藝，以期為雪蓮果的加工保藏提供一定參考。

1 材料與方法

1.1 材料

雪蓮果、白砂糖、食鹽等均為市購。

1.2 儀器與設備

AUY220型分析天平 日本島津公司；JJ200精密電子天平 常熟測試儀器廠；101-2型電熱鼓風干燥箱 天津市泰斯特儀器有限公司；WYT-4手持式折光儀 成都泰華光學有限公司；SK3300LH型超聲波清洗機 上海科導超聲儀器有限公司；HH-6數顯恒溫水浴鍋 龍口市先科儀器公司。

1.3 方法

1.3.1 雪蓮果滲透脫水的單因素試驗

1.3.1.1 溫度對雪蓮果滲透脫水的影響

雪蓮果清洗、去皮、切片(大約3mm)后，取(20±1)g放于溫度分別為20、30、40、50、60℃的滲透液中，在蔗糖和NaCl質量分數分別為50%和5%、料水比1:10(g/mL)條件下滲透脫水3h。然后取出，除去表面水分，測定滲透脫水前后雪蓮果的固形物含量和含水率。試驗平行3次，結果取平均值。

1.3.1.2 滲透時間對雪蓮果滲透脫水的影響

雪蓮果清洗、去皮、切片(大約3mm)后，取(20±1)g放于滲透液中，在溫度40℃、蔗糖和NaCl質量分數分別為50%和5%、料水比1:10條件下分別滲透脫水1、2、3、4、5 h。然后取出，除去表面水分，測定滲透脫水前后雪蓮果的固形物含量和含水率。試驗平行3次，結果取平均值。

1.3.1.3 蔗糖質量分數對雪蓮果滲透脫水的的影響

雪蓮果清洗、去皮、切片(大約3mm)后，取(20±1)g分別放于蔗糖質量分數為30%、40%、50%、60%、70%的滲透液中，在溫度40℃、NaCl質量分數5%、料水比1:10條件下，滲透脫水3h。然后取出，除去表面水分，測定滲透脫水前后雪蓮果的固形物含量和含水率。試驗平行3次，結果取平均值。

1.3.2 超聲波處理對雪蓮果滲透脫水的影響

通過預試驗，對預處理后的雪蓮果分別進行常壓滲透脫水(溫度40℃，蔗糖、NaCl質量分數分別為60%、5%，時間2h)、真空輔助滲透脫水(真空度0.06MPa處理30min，再進行常壓滲透脫水)和超聲波輔助滲透脫水(超聲波頻率40kHz，功率110W處理30min，再進行常壓滲透脫水)處理。結果表明，超聲波輔助滲透脫水的效果好于常壓滲透脫水及真空輔助滲透脫水。為進一步考察超聲波功率、處理時間對雪蓮果滲透脫水的影響，進行如下試驗：雪蓮果清洗、去皮、切片(大約3mm)后，取(20±1)g在超聲波頻率40kHz、超聲波功率分別為110、160W下處理5、15、25、35、45、55、65min，處理后的樣品放于滲透液中(溫度40℃，蔗糖和食鹽質量分數分別為60%和5%，料水比1:10)處理2h。然后取出，除去表面水分，測定滲透脫水前后雪蓮果的固形物含量和含水率。試驗平行3次，結果取平均值。

1.3.3 超聲波輔助滲透脫水最優工藝參數研究

采用二次回歸正交旋轉組合試驗設計[12]探討各參數對雪蓮果滲透脫水效果的影響，確定超聲波輔助滲透脫水的最優工藝參數。變量包括滲透脫水溫度、滲透脫水時間、蔗糖質量分數、超聲波處理時間為因素，響應值包括失水率(water loss，WL)、固形物增加率(sugar gain，SG)和二者比值(WL/SG)。試驗因素及水平編碼值如表1所示。

表1 超聲波輔助滲透脫水工藝二次回歸正交旋轉組合試驗因素水平編碼Table 1 Factors and levels in response surface analysis

1.4 指標及其測定方法

1.4.1 失水率(WL)[13]

式中：m0為雪蓮果初始質量/g；w0為雪蓮果初始含水率/%；m1為滲透脫水處理后雪蓮果的質量/g；w1為滲透脫水處理后雪蓮果的含水率/%。

1.4.2 固形物增加率(SG)[13]

式中：m0為雪蓮果初始質量/g；s0為雪蓮果初始固形物含量/%；m1為滲透脫水處理后雪蓮果的質量/g；s1為滲透脫水處理后雪蓮果的固形物含量/%。

1.5 統計分析

采用SPSS 13.0軟件進行統計分析[14]。

2 結果與分析

2.1 雪蓮果滲透脫水的單因素試驗

2.1.1 溫度對雪蓮果滲透脫水的影響

圖1 溫度對雪蓮果滲透脫水的影響Fig.1 Effect of osmotic dehydration temperature on WL and SG

由圖1可以看出，WL隨著溫度升高先增加，至40℃左右時達到最高，之后隨著溫度升高迅速下降。SG隨著溫度升高而增加。溫度的確定應在保證產品感官品質的前提下，獲得較高的WL。考慮到溫度過高(＞45℃)時，物料可能會產生酶促褐變，風味物質也會有所損失，造成果蔬的感官品質下降[5]。因此，在后續優化試驗設計中選溫度40℃為零水平。

2.1.2 滲透時間對雪蓮果滲透脫水的影響

由圖2可以看出，在2h內，隨著滲透時間的延長，WL幾乎呈線性增加，之后隨著滲透時間的延長，WL變化不大。滲透脫水初期，體系兩相的可溶性固形物含量相差較大，所產生的壓力差較大，故WL較大，隨著滲透時間的延長，體系兩相的滲透壓差變小，WL逐漸減慢，最后幾乎不變。SG隨著滲透脫水時間的延長而增加，4h時達到最大值，之后隨著時間延長，SG逐漸降低。因此，在后續優化試驗設計中選時間2h為零水平。

圖2 時間對雪蓮果滲透脫水的影響Fig.2 Effect of osmotic dehydration time on WL and SG

2.1.3 蔗糖質量分數對雪蓮果滲透脫水的影響

圖3 蔗糖質量分數對雪蓮果滲透脫水的影響Fig.3 Effect of sucrose concentration on WL and SG

由圖3可以看出，WL隨蔗糖質量分數的提高而增大，由Fick擴散方程可知，擴散速率取決于濃度梯度，濃度差越大，擴散速度越快，物料的脫水速度就隨之加快。隨著蔗糖質量分數的增加，SG先增加后減少，至蔗糖質量分數為60%時達到最小，而后隨著蔗糖質量分數增加呈增加趨勢。隨著蔗糖濃度增加，果蔬內外滲透壓差增大，因此SG增加，而后隨著糖液濃度增加，滲透體系黏度增大，導致擴散系數不斷降低，因此SG逐漸降低。當滲透液中蔗糖質量分數超過60%時，由于果蔬細胞內外濃度差過大，造成滲透作用遠遠大于脫水效應，因此糖液滲透作用占主導地位，導致固形物增加率呈逐漸增大的趨勢。因此，在后續優化試驗設計中選蔗糖質量分數60%為零水平。

2.2 超聲波處理對雪蓮果滲透脫水的影響

由圖4可以看出，WL與SG在5～25min內均隨超聲作用時間延長而增加，由于超聲作用時間越長，其產生的空化作用時間越長，即強化傳質作用時間越長。之后WL基本保持不變，這可能是由于超聲波處理25min時，果蔬破壞的程度恰有利于水分的滲出。而SG隨超聲波處理時間的延長迅速下降，至35min后又開始上升。超聲波在液體中產生的瞬態空化泡絕熱收縮至崩潰瞬間，泡內可產生高溫和高壓，導致自由基形成及產生強大沖擊波和射流，從而起到了破碎細胞的作用；同時果蔬在超聲場內水分的內部擴散增加，超聲波振動對毛細管水有泵吸附作用，加快水分向外遷移；可使物料產生自熱，降低物料中水分的黏性[7]。此外，在15～45min范圍內，超聲波功率為110W時的WL和SG均比功率160W高。綜上所述，超聲預處理促進了雪蓮果的脫水作用。選擇超聲波輸出功率110W，超聲波處理時間范圍15～35min。

圖4 超聲波處理對雪蓮果滲透脫水的影響Fig.4 Effect of ultrasonic treatment time and power on WL and SG

2.3 超聲波輔助滲透脫水最優工藝參數研究

2.3.1 回歸方程及參數分析

二次回歸正交旋轉組合試驗設計結果見表2，對試驗結果進行統計分析，得到各響應值的二次回歸方程回歸系數(表3)。

通過剔除不顯著項，得到各指標的回歸方程：

Y1=65.5597＋2.1821X1＋1.6587X2＋1.3871X3＋0.4562X4－0.4182X12－0.4470X22－0.7956X1X5－0.6044X1X3＋1.2444X2X3(R2=0.928)；Y2=5.1564＋0.4554X2－0.1746X4＋0.6080X12＋0.3543X22＋1.0918X32＋0.5269X1X2(R2=0.938)；Y3=0.0789 ＋ 0.0048X2－ 0.0032X3－ 0.0032X4＋0.0099X12＋0.0058X22＋0.0164X32＋0.0089X1X2(R2=0.937)

以上各方程方程均通過F檢驗，F＞F0.01，回歸方程顯著，此方程在本試驗中有意義，能夠反映實際情況。失擬檢驗均不顯著，說明沒有不可忽視的因素存在對響應值產生影響，此回歸方程足以反映試驗中產品指標的變化。通過對Y1、Y2、Y3回歸系數的檢驗可知，影響Y1主次順序依次為滲透溫度、滲透時間、蔗糖質量分數(均極顯著)、超聲波處理時間(顯著)，影響Y2主次順序依次為滲透時間(極顯著)、超聲波處理時間(顯著)、滲透溫度、蔗糖質量分數，影響Y3主次順序依次為滲透時間(極顯著)、蔗糖質量分數、超聲波處理時間(顯著)、滲透溫度。

表2 二次正交旋轉組合試驗設計方案及結果Table 2 Quadratic regression orthogonal rotation combination design and corresponding results

表3 回歸方程系數Table 3 Regression equation coefficients

2.3.2 響應面分析

2.3.2.1 滲透脫水溫度和蔗糖質量分數的交互作用對WL的影響

圖5 溫度、時間和蔗糖質量分數對WL影響的響應面圖Fig.5 Response surface plots for the pairwise effects of osmotic dehydration temperature, osmotic dehydration time and sucrose concentration on WL

由圖5a可以看出，當超聲波處理時間、滲透時間為零水平時，隨著蔗糖質量分數的增加，WL呈接近線性增加，這一點可由表3中的回歸系數看出。而隨著溫度的升高，WL迅速增加。對于WL而言，溫度與蔗糖質量分數之間存在極顯著的交互作用(P＜0.01)。

由圖5b可以看出，蔗糖質量分數、超聲波處理時間為零水平時，WL隨著溫度的升高、時間的延長而增加。對于WL而言，溫度與時間之間存在極顯著交互作用(P＜0.01)。

由圖5c可以看出，當溫度、超聲波處理時間為零水平時，WL隨著蔗糖質量分數的增加及滲透脫水時間的延長而增加。對于WL而言，滲透時間與蔗糖質量分數之間存在顯著的交互作用(P＜0.05)。

2.3.2.2 滲透脫水溫度和時間的交互作用對SG的影響

圖6 溫度和時間對SG影響的響應面圖Fig.6 Response surface plots for the pairwise effects of osmotic dehydration temperature and osmotic dehydration time on SG

由圖6可以看出，當蔗糖質量分數、超聲波處理時間為零水平時，SG隨著溫度的升高而降低，至零水平左右達到最低值，之后隨著溫度的升高而增加。SG隨著滲透時間的延長而緩慢增加。溫度和時間的交互作用會促進糖的吸收。對于SG而言，滲透溫度與滲透時間之間存在極顯著的交互作用(P＜0.01)。

2.3.3 雪蓮果滲透脫水工藝參數的優化及驗證

采用Matlab 7.0軟件對回歸方程進行求解，得到各響應值取得極值時各自變量的編碼值：X1、X2、X3、X4編碼值分別取－0.9286、2.00、2.00、2.00時，WL取最大值77.47%；X1、X2、X3、X4編碼值分別取0.1878、－0.8493、0.0203、2.00時，SG取最小值4.20%。由于WL、SG取極值時對應的編碼值不一致，所以對Y3(SG/WL)求解，得出當編碼值分別取0.2279、－0.6064、0.0358、2.000時，SG/WL取最小值0.065，對優化的工藝參數進行4次驗證實驗，得到SG/WL平均值為0.059(P＞0.05)，說明回歸方程可用來預測雪蓮果超聲波輔助滲透脫水過程。

將工藝參數優化后的編碼值回代，得到實際工藝參數：滲透溫度41℃、滲透時間1.7h、蔗糖質量分數60.18%、超聲波處理時間35min。

3 結 論

3.1 影響WL的因素主次順序是溫度＞時間＞蔗糖質量分數＞超聲波處理時間；影響SG的因素主次順序依次為滲透脫水時間＞超聲波處理時間＞溫度＞蔗糖質量分數；影響SG/WL的因素主次順序是滲透脫水時間＞蔗糖質量分數＞超聲波處理時間＞溫度。

3.2 雪蓮果超聲波輔助滲透脫水的最佳工藝參數：滲透脫水溫度41℃，滲透脫水時間1.7h，蔗糖質量分數60.18%，超聲波處理時間35min。此條件下，SG/WL平均值為0.059。

[1] 錢林, 丁長河, 李里特, 等. 雪蓮果的化學組分及其功能特性[J]. 食品研究與開發, 2006, 27(6): 179-180.

[2] 李卓亞. 雪蓮果化學成分及其藥理研究的進展[J]. 食品與藥品, 2007,9(6A): 41-43.

[3] 張慜. 生鮮食品保質干燥新技術理論與實踐[M]. 北京: 化學工業出版社, 2009.

[4] 曹暉, 張慜. 高新技術在果蔬滲透脫水中的應用研究[J]. 揚州大學烹飪學報, 2007, 24(3): 55-58.

[5] 邱偉芬. 果蔬滲透脫水的研究進展及應用前景[J]. 食品科技, 2000(4): 31-32; 30.

[6] 董全, Michele Marcotte, 陳宗道, 等. 真空-脈沖真空和常壓下藍莓滲透脫水的研究[J]. 食品科學, 2007, 28(9): 92-95.

[7] 李媛, 劉通訊, 葉盛英, 等. 超聲波預處理對胡蘿卜滲透脫水技術初探[J]. 食品工業科技, 2003, 24(7): 26-28.

[8] SIMAL S, BENEDITO J, SANCHEZ E S, et al. Use of ultrasound to increase mass transport rates during osmotic dehydration[J]. Journal of Food Engineering, 1998, 36(3): 323-336.

[9] 張平安, 葉盛英, 李雁, 等. 超聲波強化龍眼滲透脫水研究[J]. 華南農業大學學報: 自然科學版, 2004, 25(2): 101-103.

[10] 董紅星, 相玉琳, 王樹盛, 等. 超聲場作用下胡蘿卜滲透脫水質量傳遞規律研究[J]. 哈爾濱工程大學學報, 2008, 29(2): 189-193.

[11] 趙彩青, 汪政富, 胡小松. 超聲波預處理對櫻桃番茄滲透脫水影響研究[J]. 食品工業科技, 2008(3): 149-150.

[12] 劉魁英. 食品研究與數據分析[M]. 3版. 北京: 中國輕工業出版社,2009.

[13] EREN I, KAYMAK-ERTEKIN F. Optimization of osmotic dehydration of potato using response surface methodology[J]. Journal of Food Engineering, 2007, 79(1): 344-352.

[14] 王頡. 試驗設計與SPSS應用[M]. 北京: 化學工業出版社, 2006.

Process Parameter Optimization for Ultrasonic-assisted Osmotic Dehydration of Yacon

SHI Qi-long，ZHAO Ya，ZHENG Ya-qin
(School of Agricultural Engineering and Food Science, Shandong University of Technology, Zibo 255049, China)

The current study aimed to use response surface methodology to optimize process parameters for the osmotic dehydration of yacon under the assistance of ultrasonic. A series of one-factor-at-a-time experiments were conducted to investigate the effects of thosmotic dehydration time and temperature, ultrasonic power, sucrose concentration and ultrasonic treatment time on water loss (WL) and solid gain (SG). Further, quadratic regression orthogonal rotation combination design was used to model WL, SG and WL/SG ratio with respect to thosmotic dehydration time and temperature, sucrose concentration and ultrasonic treatment time, and the three models developed were analyzed by response surface methodology. Ultrasonic assistance was found capable of enhancing the smotic dehydration of yacon. In terms of the importance in affecting WL, the four investigated process parameters ranked in the following order: osmotic dehydration temperature, osmotic dehydration time,sucrose concentration, and ultrasonic treatment time, and the order for affecting SG was osmotic dehydration time, ultrasonic treatment time, osmotic dehydration temperature, and sucrose concentration, and for affecting WL/SG ratio osmotic dehydration time, sucrose concentration, ultrasonic treatment time, and osmotic dehydration temperature. The optimal ultrasonicassisted osmotic dehydration parameters were osmotic dehydration temperature of 41 ℃, osmotic dehydration time of 1.7 h,sucrose concentration of 60.18 %, and ultrasonic treatment time of 35 min. Under the optimal process conditions, An average SG/WL ratio of 0.059 was achieved.

yacon；osmotic dehydration；ultrasound wave；response surface methodology

TS255.36

A

1002-6630(2011)14-0124-06

2010-09-25

山東省高校科技計劃項目(J09LC75)

石啟龍(1974—)，男，副教授，博士，研究方向為果蔬和水產品加工及貯藏。E-mail：qilongshi@sdut.edu.cn